Fysikere afslører, hvordan bevægelse kan genereres af frustration

Når to mennesker ønsker forskellige ting, frustration er uundgåelig. Men disse ikke-gensidige interaktioner kan også forekomme ikke kun mellem mennesker, men i den naturlige verden.

I et papir offentliggjort 14. april i tidsskriftet Natur , et hold forskere fra University of Chicago beskrev, hvordan systemer sammensat af mange objekter, der har sådanne ikke-gensidige interaktioner, kan udvikle sig på overraskende måder. Dette kan ligge til grund for mange fænomener, vi ser omkring os, fra neuroner til fugleflokke og kvantesystemer.

Der er et fysikfelt, der beskæftiger sig med at finde ud af den kollektive adfærd, der er resultatet af, at mange objekter interagerer. Hvis objekterne har evnen til at bevæge sig i henhold til deres egne "præferencer, "de betegnes som aktive midler. F.eks. mennesker i skarer har en tendens til at bevæge sig sammen, eller fugle foretrækker måske at justere i V-formationer, mens de flyver.

Men da de overvejede forskellige scenarier, forskerne fandt ud af, at hvis præferencer konkurrerer, nogle gange kan de skabe unikke former for bevægelse.

"Forestil dig to børn, der skal sidde sammen ved et bord i en have til frokost, " sagde undersøgelsens medforfatter og postdoc-forsker Michel Fruchart. "Et barn vil gerne sidde tæt på det andet. Men det andet barn vil sidde så langt væk som muligt fra det første. Så snart det første barn nærmer sig, det andet barn flytter væk, og de ender med at cirkle rundt om bordet konstant."

Når mange uenige agenter sættes sammen, dette skaber en konstant kollektiv bevægelse, genereret af "frustrationen" i deres konkurrerende tendenser. "Det er usædvanligt, fordi der ikke er noget eksternt drejningsmoment, " sagde prof. Vincenzo Vitelli, en studie medforfatter. "Rotationen kommer simpelthen fra, hvordan agenterne interagerer."

Som en konsekvens, en rotation skabes spontant:agenterne (som robotterne i filmen) kan begynde at rotere enten med eller mod uret, afhængig af deres oprindelige forhold.

Teamet undersøgte adfærden ved at ændre, hvor meget agenterne er enige eller uenige med hinanden. De bemærkede, at det øjeblik, hvor den spontane bevægelse skabes, svarer til en faseovergang - som det øjeblik, hvor vand skifter fra væske til is. "Men det er en speciel type faseovergang, præget af, hvad der i matematik er kendt som et ekstraordinært punkt, sagde Fruchart.

Dette var spændende for forskerne, fordi det er en ny rynke i forståelsen af ​​adfærd for systemer med mange interagerende objekter, et felt kaldet mange-krops fysik.

"Desuden, Det interessante ved det er, at det er en generel teori, " sagde undersøgelsens medforfatter prof. Peter Littlewood. "Det viser sig, at denne overgang har nogle universelle karakteristika, der optræder i mange tilsyneladende ikke-relaterede systemer."

"Det var et meget spændende øjeblik, at indse, at konceptet, vi jagtede, var mere generelt - at det bredt forekommer i naturen, "sagde postdoktorforsker og studieforfatter Ryo Hanai.

Hanai og Littlewood stødte på begrebet exceptionelle punkter, da de forsøgte at forstå adfærden af ​​en type kvantestof, som kan få eller miste energi. De havde en anelse om, at de kunne forklare det uden kvantemekanikkens sprog. "Vi havde en mistanke om, at konceptet i sig selv var meget mere bredt, " sagde Hanai. "Heldigvis, University of Chicago er et sted, hvor du kan gå ned ad gangen og tale med en af ​​de førende eksperter inden for aktivt stof - og det er, hvad vi gjorde. "

Ned ad gangen, Vitelli og Fruchart studerede usædvanlige punkter i en helt anden kontekst - inden for et felt kaldet aktivt stof, som undersøger adfærd for objekter med interne energikilder, som flok fugle eller muskelvæv. De fire fysikere gik sammen for at udforske de forvirrende matematiske ligheder mellem disse tilsyneladende forskellige emner.

"Du skulle tro, at fysikken i systemer, der kan få eller tabe energi og ikke-gensidige systemer, ville være forskellige, " sagde Vitelli. "Men da vi så på det, vi fandt ud af, at skelnen var sløret, så man ikke kunne tænke på det ene uden det andet. Når du kan sløre denne sondring, du har pludselig mange nye måder at angribe et problem på. "

Fordi ikke-gensidige systemer er udbredt i naturen, forskerne håber, at deres resultater kan være nyttige på områder ud over fysik.

For eksempel, der er to brede kategorier af neuroner i hjernen:excitatoriske neuroner, som øger andre neuroners aktivitet, og hæmmende neuroner, som mindsker det. "Dette er i høj grad et ikke-gensidigt system, " sagde Littlewood. "Vi åbner op for samarbejder med neurovidenskabsmænd ved UChicago for at prøve at se, om det er nyttigt at anvende denne linse til at tænke over det."